土建类专业“虚实结合”实践教学体系及平台建设探讨

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　　摘要：本文结合学校专业设置和实验资源配备情况，对土建类专业“虚实结合”实践教学体系总体架构，以及实践教学平台建设的内容和特点进行探讨，充分利用先进的BIM和VR等技术和工具，为我校土木建筑工程虚拟仿真实验平台的完善提供指导依据。
　　关键词：虚实结合；实践教学；BIM；VR
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）08-0074-02
　　一、虚拟仿真实验教学平台建设情况
　　工程实践教学是高等教育的重要组成部分，对于土建类相关专业来说，实践教学在培养学生工程实践能力、创新能力、提高综合素质等方面更是必不可少的环节，对于激发学生的创新意识，拓展学生的创新思维，增长学生的创新技能等方面的作用，是其他任何教学形式所不能替代的。在不断深化教育教学改革，全面提高高等教育质量的背景下，教育信息化在培养学生创新精神和实践能力方面的作用不断凸显，尤其是虚拟现实等技术在实践教学中的应用。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术，是20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境——虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界的事物和环境，人投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互。虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。虚拟仿真实验教学能实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况，能够提供可靠、安全、经济的实验项目。
　　二、实物模型教学资源建设情况
　　对于复杂经典的建筑结构及施工工艺，还可以借助实物模型教学法。通过等比例或微缩模型，能够更加直观地感受立体建筑的形态，有助于学生建立空间思维能力、培养工程识图能力、提高结构认知能力，强化理论知识和实践认知。实物模型教学法尤其适合建筑施工类课程，具有涉及面广、实践性强、发展迅速等特点，内容涉及三大力学、工程测量、土木工程材料、房屋建筑学、混凝土结构、砌体工程、地基基础和管理学等基础课程的知识，跨越了技术和管理两大学科，需要掌握的知识点较多，并具有很强的综合性；课程内容本身来自于工程实践，又用之于工程实践，主要内容针对各工序的施工工艺、施工方法和实际操作过程，具有很强的实践性。
　　三、虚实结合的实验教学平台建设
　　基于虚拟仿真和实物模型的教学方式各有其优缺点和适用范围。在现有实验资源和软硬件条件的基础上，有必要对虚拟仿真、实物模型及其有机结合的建设方案行研究与探索，以充分发挥虚拟仿真实验、实务模型在教学过程中的作用，实现虚实结合、优势互补、相互促进，最终构建适合于土木工程、工程管理、建筑环境与能源工程、工程力学及其他相关专业，贯穿工程规划设计、实施建造、运营维护等全过程“虚实结合”综合实践教学体系和共享平台，以改善对学生的实践教学和工程训练投入不足的窘况，有效提升土木工程专业工程人才培養质量。
　　1.土建类专业“虚实结合”实践教学体系总体架构。结合我校土木工程相关专业设置情况，基于虚拟仿真实验教学平台，构建了土建类专业“虚实结合”实践教学体系，总体架构如图1所示。
　　2.虚拟仿真实验平台建设内容：（1）以BIM技术作为工程数据平台、设计平台、技术方案制作平台和专业协作平台。BIM作为建筑行业信息化必不可少的工具，能够有效管理工程建设全过程中涉及的建筑实体信息、施工信息及工程管理等相关信息，为工程设计、施工、运维及管理提供必要的数据支撑，也为各参与方之间的沟通交流提供协作平台，如鲁班软件开发的BIM系列软件。（2）以施工工艺模拟仿真和管理类软件作为工程技术和工程管理实训平台。在项目实施全过程中需要技术类和管理类相关知识和技能。施工工艺模拟仿真实验主要针对技术类知识进行直观模拟和强化训练，如维启科技开发的各类施工工艺仿真教学软件等；而工程管理实训平台则提供了工程进度、资源、成本等实验教学平台，如广联达科技股份有限公司开发的各类工程管理类实训平台等。（3）以虚拟现实系统作为提供结果的真实沉浸体验平台。现有的建筑工程模型和施工场景，可以借助于虚拟现实显示系统为用户提供沉浸式真实体验。真实沉浸体验平台是以VR技术为核心，借助于虚拟现实头盔、眼镜、数据手套、以及光学位置追踪系统等设备捕捉用户的位置和动作信息，经过虚拟现实处理系统，最后通过3D立体显示系统将结果反馈给用户，同时还可以多人协同交互，能够为用户提供逼真的体验。如曼恒数字研发的虚拟现实交互系统，可以实现模型的分解、拆装、漫游等。（4）虚拟现实的真实再现系统，包括典型复杂的实物模型、3D打印、3D扫描等。
　　上述部分主要借助于计算机等软硬件系统呈现建筑工程的实体模型和施工管理过程。而典型复杂的建筑及其结构可以借助于实物模型展现出来，可以通过分解和组装直观了解内部结构；3D打印可以将电子的建筑模型和构件打印输出实物；3D扫描可以将现有的建筑和施工场景扫描后快速形成虚拟模型。
　　3.虚拟仿真实验平台特点：（1）提供交互式实验环境。从BIM模型的创建到施工过程的模拟、施工工艺仿真、交互式虚拟现实模拟等，都需要学生主动参与，通过提供数据与实验平台进行交互，有效提高学生参与的积极性和主动性。（2）支持全过程实施过程模拟。虚拟仿真实验平台涉及前期策划、设计、施工和运营等全过程的实施模拟，可以满足不同专业、不同课程、不同阶段的实践要求。（3）采用虚实结合模式。综合利用虚拟仿真和实物模型等多种教学方法和手段，通过虚实结合，合理组织实践教学工作，充分发挥两种教学平台的功能，优势互补。（4）充分利用BIM和VR等先进技术和工具。在实验平台建设过程中充分引入BIM和VR等相关技术和工具，将其合理整合的实践环节中，可以充分利用平台优势，实现对学生多方面的知识和技能的训练。
　　四、总结
　　无论是虚拟仿真还是实物模型，均来自工程实践，借助于BIM和VR等相关技术构建的虚拟仿真实验平台，能够为土建类相关专业的实践教学提供直观可视化的基础条件。基于虚拟仿真的实验平台建设已经取得了一定的成果，结合3D打印、3D扫描及实物模型制作等方式可以实现虚拟模型的真实再现和虚实转换。采用虚实结合的教学模式，能够促进学生参与学习的积极性和主动性，从而有效提升各类专业创新实践环节的教学效果。上述成果为我校土木建筑工程虚拟仿真实验平台的完善提供指导依据。
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